Elektronischer Speicher

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1 Halbleiterspeicher Halbleiterspeicher dient der zeitlich begrenzten oder unbegrenzten Aufbewahrung von Daten, Zuständen und Programmen in Form von digitalen Signalen. Der Begriff resultiert aus dem Grundwerkstoff des gefertigten Speichers Halbleiter sind chemische Elemente, wie z.b. Silizium. Man unterscheidet zwischen: Nicht flüchtigem Speicher (Non-Volatile-Memory) Daten werden nach dem Abschalten der Spannungsversorgung dauerhaft gespeichert Flüchtiger Speicher (Volatile-Memory) Kann Daten nur speichern, solange eine Spannungsversorgung vorhanden. Nach dem Abschalten sind alle gespeicherten Daten verloren

2 Halbleiterspeicher Halbleiterspeicher dient der zeitlich begrenzten oder unbegrenzten Aufbewahrung von Daten, Zuständen und Programmen in Form von digitalen Signalen. Der Begriff resultiert aus dem Grundwerkstoff des gefertigten Speichers Halbleiter sind chemische Elemente, wie z.b. Silizium. Man unterscheidet zwischen: Nicht flüchtigem Speicher (Non-Volatile-Memory) Daten werden nach dem Abschalten der Spannungsversorgung dauerhaft gespeichert Flüchtiger Speicher (Volatile-Memory) Kann Daten nur speichern, solange eine Spannungsversorgung vorhanden. Nach dem Abschalten sind alle gespeicherten Daten verloren

3 Halbleiterspeicher Halbleiterspeicher dient der zeitlich begrenzten oder unbegrenzten Aufbewahrung von Daten, Zuständen und Programmen in Form von digitalen Signalen. Der Begriff resultiert aus dem Grundwerkstoff des gefertigten Speichers Halbleiter sind chemische Elemente, wie z.b. Silizium. Man unterscheidet zwischen: Nicht flüchtigem Speicher (Non-Volatile-Memory) Daten werden nach dem Abschalten der Spannungsversorgung dauerhaft gespeichert Flüchtiger Speicher (Volatile-Memory) Kann Daten nur speichern, solange eine Spannungsversorgung vorhanden. Nach dem Abschalten sind alle gespeicherten Daten verloren

4 Halbleiterspeicher Halbleiterspeicher dient der zeitlich begrenzten oder unbegrenzten Aufbewahrung von Daten, Zuständen und Programmen in Form von digitalen Signalen. Der Begriff resultiert aus dem Grundwerkstoff des gefertigten Speichers Halbleiter sind chemische Elemente, wie z.b. Silizium. Man unterscheidet zwischen: Nicht flüchtigem Speicher (Non-Volatile-Memory) Daten werden nach dem Abschalten der Spannungsversorgung dauerhaft gespeichert Flüchtiger Speicher (Volatile-Memory) Kann Daten nur speichern, solange eine Spannungsversorgung vorhanden. Nach dem Abschalten sind alle gespeicherten Daten verloren

5 Halbleiterspeicher Halbleiterspeicher dient der zeitlich begrenzten oder unbegrenzten Aufbewahrung von Daten, Zuständen und Programmen in Form von digitalen Signalen. Der Begriff resultiert aus dem Grundwerkstoff des gefertigten Speichers Halbleiter sind chemische Elemente, wie z.b. Silizium. Man unterscheidet zwischen: Nicht flüchtigem Speicher (Non-Volatile-Memory) Daten werden nach dem Abschalten der Spannungsversorgung dauerhaft gespeichert Flüchtiger Speicher (Volatile-Memory) Kann Daten nur speichern, solange eine Spannungsversorgung vorhanden. Nach dem Abschalten sind alle gespeicherten Daten verloren

6 Halbleiterspeicher Halbleiterspeicher dient der zeitlich begrenzten oder unbegrenzten Aufbewahrung von Daten, Zuständen und Programmen in Form von digitalen Signalen. Der Begriff resultiert aus dem Grundwerkstoff des gefertigten Speichers Halbleiter sind chemische Elemente, wie z.b. Silizium. Man unterscheidet zwischen: Nicht flüchtigem Speicher (Non-Volatile-Memory) Daten werden nach dem Abschalten der Spannungsversorgung dauerhaft gespeichert Flüchtiger Speicher (Volatile-Memory) Kann Daten nur speichern, solange eine Spannungsversorgung vorhanden. Nach dem Abschalten sind alle gespeicherten Daten verloren

7 Nicht flüchtiger Speicher (Non-Volatile-Memory)

8 Flüchtiger Speicher (Volatile-Memory)

9 Halbleiterspeicher bestehen aus einer großen Anzahl von Speicherzellen, in denen die Informationen binär, also 0 oder 1, abgelegt werden. Die Größe des Speichers wird Speicherkapazität genannt, diese wird angegeben in: Byte Kilobyte Megabyte Gigabyte Terrabyte Dabei handelt es sich jeweils um Zehnerpotenzen, also etc In der Informationstechnik wird aber mit Zweierpotenzen gearbeitet: 10 2, dadurch kommt man bei Kapazitätsangaben allerdings zu unterschiedlichen Ergebnissen (= 1024) Beispiel: 64kB: Byte oder Byte 3 6

10 Halbleiterspeicher bestehen aus einer großen Anzahl von Speicherzellen, in denen die Informationen binär, also 0 oder 1, abgelegt werden. Die Größe des Speichers wird Speicherkapazität genannt, diese wird angegeben in: Byte Kilobyte Megabyte Gigabyte Terrabyte Die Buchstaben stehen für Dezimalpräfixe Dabei handelt es sich jeweils um Zehnerpotenzen, also etc In der Informationstechnik wird aber mit Zweierpotenzen gearbeitet: 10 2, dadurch kommt man bei Kapazitätsangaben allerdings zu unterschiedlichen Ergebnissen (= 1024) Beispiel: 64kB: Byte oder Byte 3 6

11 Zur Vermeidung der Mehrdeutigkeiten hat ein Normungsgremium nur in Verbindung mit den Zweierpotenzen folgende Einheiten definiert: Kibi für 1024 Mibi für 1024 Gibi für 1024 Tebi für z.b. Mibi: 1024 x 1024 Byte = Byte Diese konnten sich aber bisher im IT Bereich nicht durchsetzen!

12 Weitere Kenngrößen sind bei Halbleiterspeichern von Bedeutung: Zugriffszeit Sie beschreibt, wie schnell das entsprechende Speichermedium nach dem Eintreffen eines Schreib- oder Lesebefehls den entsprechenden Vorgang ausführen bzw. die entsprechenden Daten bereitstellen kann Datenrate Geschwindigkeit, mit der Daten in bzw. aus dem Speicher gelesen werden können. Sie wird in Byte pro Sekunde angegeben, die Größe ist abhängig vom verwendeten Halbleiterspeicher, Bussystem und der Zugriffsmethode (z.b. Pipeline Burst)

13 Weitere Kenngrößen sind bei Halbleiterspeichern von Bedeutung: Zugriffszeit Sie beschreibt, wie schnell das entsprechende Speichermedium nach dem Eintreffen eines Schreib- oder Lesebefehls den entsprechenden Vorgang ausführen bzw. die entsprechenden Daten bereitstellen kann Datenrate Geschwindigkeit, mit der Daten in bzw. aus dem Speicher gelesen werden können. Sie wird in Byte pro Sekunde angegeben, die Größe ist abhängig vom verwendeten Halbleiterspeicher, Bussystem und der Zugriffsmethode (z.b. Pipeline Burst)

14 Weitere Kenngrößen sind bei Halbleiterspeichern von Bedeutung: Zugriffszeit Sie beschreibt, wie schnell das entsprechende Speichermedium nach dem Eintreffen eines Schreib- oder Lesebefehls den entsprechenden Vorgang ausführen bzw. die entsprechenden Daten bereitstellen kann Datenrate Geschwindigkeit, mit der Daten in bzw. aus dem Speicher gelesen werden können. Sie wird in Byte pro Sekunde angegeben, die Größe ist abhängig vom verwendeten Halbleiterspeicher, Bussystem und der Zugriffsmethode.

15 Nichtflüchtige Speicher Die ersten nichtflüchtigen Speicher konnten nur einmalig beschrieben aber beliebig oft ausgelesen werden, daher der Begriff ROM (Read Only Memory), alternativ auch der Begriff Festwertspeicher. Später wurden in der technischen Entwickung ROM Speicher entwickelt, die mehrfach beschrieben werden konnten

16 Nichtflüchtige Speicher MROM (Masked Read Only Memory) - Festwertspeicher - Wird bei der Herstellung programmiert - Ist danach nicht mehr veränderbar - Werden heute in PCs nicht mehr verwendet PROM (Programmable Read Only Memory) - programmierbarer Festwertspeicher - Kann vom Anwender einmalig programmiert werden - Werden heute in PCs nicht mehr verwendet

17 Nichtflüchtige Speicher MROM (Masked Read Only Memory) - Festwertspeicher - Wird bei der Herstellung programmiert - Ist danach nicht mehr veränderbar - Werden heute in PCs nicht mehr verwendet PROM (Programmable Read Only Memory) - programmierbarer Festwertspeicher - Kann vom Anwender einmalig programmiert werden - Werden heute in PCs nicht mehr verwendet

18 Nichtflüchtige Speicher MROM (Masked Read Only Memory) - Festwertspeicher - Wird bei der Herstellung programmiert - Ist danach nicht mehr veränderbar - Werden heute in PCs nicht mehr verwendet PROM (Programmable Read Only Memory) - programmierbarer Festwertspeicher - Kann vom Anwender einmalig programmiert werden - Werden heute in PCs nicht mehr verwendet

19 Nichtflüchtige Speicher (E)PROM Brenner

20 Nichtflüchtige Speicher EPROM (Eraseable Programmable Read Only Memory) - löschbarer programmierbarer Festwertspeicher - Bausteintyp ist elektrisch programmierbar. - Lässt sich mittels UV Licht löschen und danach neu programmieren. Nach etwa Löschvorgängen hat das EPROM das Ende seiner Lebensdauer erreicht. Das zur Löschung nötige Quarzglas Fenster (normales Glas ist nicht UV durchlässig) macht das Gehäuse relativ teuer Fragen zum Löschen

21 Nichtflüchtige Speicher EPROM (Eraseable Programmable Read Only Memory) - löschbarer programmierbarer Festwertspeicher - Bausteintyp ist elektrisch programmierbar. - Lässt sich mittels UV Licht löschen und danach neu programmieren. Nach etwa Löschvorgängen hat das EPROM das Ende seiner Lebensdauer erreicht. Das zur Löschung nötige Quarzglas Fenster (normales Glas ist nicht UV durchlässig) macht das Gehäuse relativ teuer

22 Nichtflüchtige Speicher EEPROM (Electrical Eraseable Programmable Read Only Memory) - elektronisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher Bei EEPROMs besteht die Möglichkeit die Speicherzellen durch Spannungsimpulse zu programmieren und zu löschen Die Anzahl der Programmierzyklen ist begrenzt. EEPROMs gibt es sehr häufig mit serieller Programmierweise. Die Speicherung der Daten wird über eine serielle Leitung durchgeführt. Das EEPROM wird üblicherweise zum Speichern von Bedienerdaten, Konfigurationen, Parametern und Einstellungen verwendet. Um den gesamten Inhalt eines EEPROMs zu löschen, werden nur einige Sekunden benötigt verglichen mit 10 bis 30 Minuten UV Licht beim EPROM EEPROMs mit 1 ms bis 10 ms, sind im Vergleich zu Flash EEPROMs, die zwischen 1 μs und 1 ms für einen Schreibzyklus benötigen, erheblich langsamer

23 Nichtflüchtige Speicher EEPROM (Electrical Eraseable Programmable Read Only Memory) - elektronisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher Bei EEPROMs besteht die Möglichkeit die Speicherzellen durch Spannungsimpulse zu programmieren und zu löschen Die Anzahl der Programmierzyklen ist begrenzt. EEPROMs gibt es sehr häufig mit serieller Programmierweise. Die Speicherung der Daten wird über eine serielle Leitung durchgeführt. Das EEPROM wird üblicherweise zum Speichern von Bedienerdaten, Konfigurationen, Parametern und Einstellungen verwendet. Um den gesamten Inhalt eines EEPROMs zu löschen, werden nur einige Sekunden benötigt verglichen mit 10 bis 30 Minuten UV Licht beim EPROM EEPROMs mit 1 ms bis 10 ms, sind im Vergleich zu Flash EEPROMs, die zwischen 1 μs und 1 ms für einen Schreibzyklus benötigen, erheblich langsamer

24 Nichtflüchtige Speicher Flash Speicher sind digitale Speicherchips; die genaue Bezeichnung lautet Flash EEPROM. Sie gewährleisten eine nichtflüchtige Speicherung bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch. Flash Speicher sind portabel und miniaturisiert. USB Stick der linke Chip ist der eigentliche Flashspeicher, der rechte ein Mikrocontroller. sogenannter DiskOnChip (hier BIOS), zur Speicherung der Firmware

25 Nichtflüchtige Speicher Flash Speicher sind digitale Speicherchips; die genaue Bezeichnung lautet Flash EEPROM. Sie gewährleisten eine nichtflüchtige Speicherung bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch. Flash Speicher sind portabel und miniaturisiert. USB Stick der linke Chip ist der eigentliche Flashspeicher, der rechte ein Mikrocontroller. sogenannter DiskOnChip (hier BIOS), zur Speicherung der Firmware

26 Nichtflüchtige Speicher Flash Speicher Der Flash-ROM hat sich aus dem EEPROM (Electrical Erasable and Programmable Read-Only Memory) entwickelt. Es gibt auch die Bezeichnungen Flash-EPROM und Flash-Memory. Beim Flash-ROM ist die Speicherung von Daten funktionell identisch wie beim EEPROM. Die Daten werden allerdings wie bei einer Festplatte blockweise in geschrieben und gelöscht. Vorteile von Flash-Speicher Die gespeicherten Daten bleiben auch bei fehlender Versorgungsspannung erhalten. Wegen fehlender beweglicher Teile ist Flash geräuschlos, unempfindlich gegen Erschütterungen und magnetische Felder. Im Vergleich zu Festplatten haben Flash-Speicher eine sehr kurze Zugriffszeit. Lese- und Schreibgeschwindigkeit sind über den gesamten Speicherbereich weitestgehend konstant. Die erreichbare Speichergröße ist durch die einfache und platzsparende Anordnung der Speicherzellen nach oben offen.

27 Nichtflüchtige Speicher Flash Speicher Der Flash-ROM hat sich aus dem EEPROM (Electrical Erasable and Programmable Read-Only Memory) entwickelt. Es gibt auch die Bezeichnungen Flash-EPROM und Flash-Memory. Beim Flash-ROM ist die Speicherung von Daten funktionell identisch wie beim EEPROM. Die Daten werden allerdings wie bei einer Festplatte blockweise in geschrieben und gelöscht. Vorteile von Flash-Speicher Die gespeicherten Daten bleiben auch bei fehlender Versorgungsspannung erhalten. Wegen fehlender beweglicher Teile ist Flash geräuschlos, unempfindlich gegen Erschütterungen und magnetische Felder. Im Vergleich zu Festplatten haben Flash-Speicher eine sehr kurze Zugriffszeit. Lese- und Schreibgeschwindigkeit sind über den gesamten Speicherbereich weitestgehend konstant. Die erreichbare Speichergröße ist durch die einfache und platzsparende Anordnung der Speicherzellen nach oben offen.

28 Nichtflüchtige Speicher Nachteile von Flash-Speicher Der einzige wirkliche Nachteil von Flash ist die begrenzte Zahl von Schreibbzw. Löschvorgängen, die eine Speicherzelle vertragen kann. Typischerweise gehen die Speicherzellen nach Zyklen bei Multi-Level- Cells (MLC) und nach Zyklen bei Single-Level-Cells (SLC) kaputt. SLC-Flash (Single Level Cell) SLC-Flash speichert nur ein Bit pro Zelle. Sie sind mit rund Schreibzyklen zuverlässige Speicher-Chips für den Server-Markt und deshalb auch sehr teuer. MLC-Flash (Multi Level Cell) MLC-Flash speichert zwei bis vier Bit pro Zelle. Es sind dadurch höhere Speicherdichten möglich bei gleichen Siliziumkosten. MLC-Flash lässt sich deshalb günstiger fertigen. Sie werden für den Massenmarkt, in erster Linie für Notebooks und Ultra Mobile Devices, gefertigt. MLC-Flash lässt sich nicht ganz so schnell beschreiben, wie SLC-Flash und ist mit rund Schreibzyklen defektanfälliger.

29 Nichtflüchtige Speicher Nachteile von Flash-Speicher Der einzige wirkliche Nachteil von Flash ist die begrenzte Zahl von Schreibbzw. Löschvorgängen, die eine Speicherzelle vertragen kann. Typischerweise gehen die Speicherzellen nach Zyklen bei Multi-Level- Cells (MLC) und nach Zyklen bei Single-Level-Cells (SLC) kaputt. SLC-Flash (Single Level Cell) SLC-Flash speichert nur ein Bit pro Zelle. Sie sind mit rund Schreibzyklen zuverlässige Speicher-Chips für den Server-Markt und deshalb auch sehr teuer. MLC-Flash (Multi Level Cell) MLC-Flash speichert zwei bis vier Bit pro Zelle. Es sind dadurch höhere Speicherdichten möglich bei gleichen Siliziumkosten. MLC-Flash lässt sich deshalb günstiger fertigen. Sie werden für den Massenmarkt, in erster Linie für Notebooks und Ultra Mobile Devices, gefertigt. MLC-Flash lässt sich nicht ganz so schnell beschreiben, wie SLC-Flash und ist mit rund Schreibzyklen defektanfälliger.

30 Nichtflüchtige Speicher NAND und NOR Typen Die NAND- und NOR-Architekturen unterscheiden sich in der Speicherdichte und der Zugriffsgeschwindigkeit. NAND-Flash Internen seriellen Verschaltung, dadurch ist das Lesen und Schreiben nur in Blöcken möglich. Durch die geringe Anzahl an Datenleitungen benötigt NAND- Flash weniger Platz. Da Daten auf Festplatten ebenfalls Blockweise gelesen und geschrieben werden, eignet sich NAND-Flash hervorragend als Speicher für Speicherkarten, USB-Sticks und SSDs. NOR-Flash Parallele Verschaltung der Speicherzellen. Der Zugriff auf die Speicherzellen erfolgt wahlfrei auf jedes einzelne Byte und direkt. Entsprechend kurz sind die Zugriffszeiten. Die Parallelschaltung garantiert einen geringeren Widerstand, benötigt allerdings mehr Datenleitungen und somit mehr Platz. NOR Speicher werden auf Grund geringerer Bitfehlerhäufigkeit gerne zur Speicherung des Bios in Computern eingesetzt. Ca. 10x weniger Lösch-Schreib Zyklen als Nand!!

31 Nichtflüchtige Speicher NAND und NOR Typen Die NAND- und NOR-Architekturen unterscheiden sich in der Speicherdichte und der Zugriffsgeschwindigkeit. NAND-Flash Internen seriellen Verschaltung, dadurch ist das Lesen und Schreiben nur in Blöcken möglich. Durch die geringe Anzahl an Datenleitungen benötigt NAND- Flash weniger Platz. Da Daten auf Festplatten ebenfalls Blockweise gelesen und geschrieben werden, eignet sich NAND-Flash hervorragend als Speicher für Speicherkarten, USB-Sticks und SSDs. NOR-Flash Parallele Verschaltung der Speicherzellen. Der Zugriff auf die Speicherzellen erfolgt wahlfrei auf jedes einzelne Byte und direkt. Entsprechend kurz sind die Zugriffszeiten. Die Parallelschaltung garantiert einen geringeren Widerstand, benötigt allerdings mehr Datenleitungen und somit mehr Platz. NOR Speicher werden auf Grund geringerer Bitfehlerhäufigkeit gerne zur Speicherung des Bios in Computern eingesetzt. Ca. 10x weniger Lösch-Schreib Zyklen als Nand!!

32 Nichtflüchtige Speicher NAND und NOR Typen Im Vergleich zu anderen nichtflüchtigen Speicherarten erlaubt NAND-Flash höhere Speicherdichten zu geringen Kosten und arbeitet mit wesentlich schnellerer Schreibgeschwindigkeit und geringem Stromverbrauch. Nand-Typen sind besonders für Anwendungen mit großen Datenmengen geeignet: USB Sticks Smartphones / Handys MP3 Player SSD (Solid State Drives) Speicherkarten

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